La rivoluzione del carbonio

I NANOTUBI

I nanotubi di carbonio sono stati scoperti intorno al 1985 dal chimico americano Richard E. Smalley, il quale osservò che in determinate condizioni gli atomi di carbonio sono in grado di organizzarsi in strutture ordinate di forma sferica, che dopo un successivo rilassamento tendevano ad arrotolarsi su se stesse dando origine alla tipica forma cilindrica che ritroviamo all’interno dei nanotubi in carbonio. 

rappresentazione schematica

       di un nanotubo in carbonio

superficie in grafene di un nanotubo

 

I nanotubi in carbonio esistono in tre differenti forme: anzitutto abbiamo i nanotubi a parete singola formati da un singolo foglio di grefene arrotolato su se stesso, poi abbiamo i nanotubi a parete doppia formati dall’arrotolamento di due strati grafenici e infine abbiamo i nanotubi a multiparete formati da più fogli grafenici arrotolati coassialmente su se stessi. Di queste tre differenti tipologie di nanotubi, quelli più facili da ottenere sono gli ultimi, che non richiedono condizioni di crescita troppo particolari.

I nanotubi in carbonio possiedono caratteristiche meccaniche si altissimo livello, associate a un peso specifico (quello del carbonio) che è di molte volte inferiore a quello della maggior parte dei metalli utilizzati in campo industriale. È stato calcolato che un nanotubi può avere una resistenza alla trazione cento volto più grande dell’acciaio pesando però sei volte di meno rispetto a quest’ultimo. Senza contare che i nanotubi non presentano solo una elevatissima resistenza alla rottura per trazione, ma sono dotati anche di una buona flessibilità, dato che sono in grado di piegarsi senza rompersi o danneggiarsi fino ad angoli di 90°. L’estrema resistenza alla trazione unita alla loro flessibilità rende i nanotubi ideali per l’uso come rinforzo per i materiali polimerici, producendo nanocompositi dalle prestazioni elevatissime. Inoltre, l’uso dei nanotubi nella produzione di fibre può portare alla produzione di compositi estremamente più resistenti degli attuali compositi basati sulle fibre di carbonio tradizionali. 
 

 

        Fotografie in microscopia SEM dei                                 nanotubi in carbonio

                                                                       

                                                                                                                               
                                                                                                                                Da un punto di vista elettrico i nanotubi in carbonio possono comportarsi sia come conduttori che come semiconduttori, a seconda delle condizioni nelle quali sono stati sintetizzati. Ciò rende molto interessanti questi materiali per eventuali applicazioni nel campo dell’elettronica e dell’optoelettronica (branca dell' elettronica che studia i dispositivi elettronici che interagiscono con la luce e le loro applicazioni). Molti ricercatori del campo dell’elettronica, stanno lavorando alla possibilità di utilizzare i nanotubi in sostituzione dei tradizionali conduttori e semiconduttori utilizzati per la costruzione dei chip. Ciò in virtù soprattutto di un peculiare fenomeno osservato all’interno dei nanotubi e chiamato conduzione balistica, per il quale quando gli elettroni trasportati passano all’interno del nanotubi, questo è in grado di portare corrente senza scaldarsi. Questa particolare proprietà rende i nanotubi molto interessanti per la realizzazione di nanocavi e cavi quantici, che potrebbero affiancare il silicio nel campo dell’elettronica e consentire il passaggio dalla microelettronica alla nanoelettronica. È stato calcolato, infatti, che un processore realizzato con transistor di nanotubi potrebbe tranquillamente superare i 1000GHz di potenza superando tranquillamente tutte le barriere di miniaturizzazione imposte oggi dall’uso del silicio. Le proprietà di conduzione elettrica dei nanotubi possono essere modificate drogandoli, ossia inserendo all’interno della loro struttura degli atomi aventi le caratteristiche ricercate (un po’ come si fa con il silicio). Tra i risultati più interessanti in questo campo va citata la realizzazione di un diodo, formato da due nanotubi, che permette il passaggio di corrente solo in un senso, esattamente come nei normali diodi in silicio. La differenza fra questi ultimi e il diodo realizzato con i nanotubi sta soltanto nelle dimensioni.  La limitazione principale all’utilizzo dei nanotubi in carbonio è attualmente rappresentato dal loro elevatissimo costo, giustificato dalle complesse condizioni nelle quali devono essere sintetizzati.